某重吊多用途船選擇性催化還原技術（SCR)及排氣系統設計要點

李虎

摘 要：針對國際海事組織（IMO）對于船舶柴油機氮氧化物（NOx）的排放要求，以保護人類的生存環境。為了減少船上柴油機NOx排放，安裝選擇性催化還原系統，現就選擇性催化還原系統（SCR）設計、制造、布置、安裝難度較大，系統復雜且造價高的特點，以金陵某重吊船為例，介紹SCR裝置組成與工作原理，分析SCR裝置設計要點。經過實際運行，該船大大降低了NOx的排放量，對后續船舶建造中增加SCR裝置具有很好的引領作用。

關鍵詞：SCR裝置;船用柴油機

中圖分類號：U661 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-022-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.009

國際海事組織（IMO）第66屆會議以MEPC.251（66）決議通過MARPOL附則VI和2008 NOx技術規則修正案，并于2015年9月1日起生效實施。確定了Tier III船舶柴油機氮氧化物（NOx）排放實施時間節點。

NOx排放要求適用于：

2016年1月1日或以后建造，并且航行于北美排放控制區內或美國加勒比海排放控制區內的船舶，其上安裝的船用柴油機。

在除北美或美國加勒比海排放控制區外的氮氧化物（NOx）排放控制區，氮氧化物（NOx）排放實施時間節點及以后建造的船舶，并且航行于氮氧化物（NOx）排放控制區內的船上安裝的船用柴油機[1]。

1 節能、環保、高效成為柴油機動力創新方向

IMO特別對其廢氣的排放標準作出嚴格規定，并滿足國際防止空氣污染要求，取得氮氧化物NOx排放有關的柴油機國際防止空氣污染證書——EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention）證書[1]。

英國勞氏船級社（LR）按國際海事組織（IMO）的最新要求，對柴油機氮氧化物（NOx）的排放量要求如下：

當柴油機軸旋轉速度n<130轉/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤17.0g/kWh;

當柴油機軸旋轉速度130≤n<2000轉/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤45n-2g/kWh;

當柴油機軸旋轉速度n≥2000轉/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤9.8g/kWh。

有些國家建議實施比IMO更高的廢氣排放標準，如歐洲國家瑞典SMA規定氮氧化物（NOx）的排放量小于等于2g/kWh[2]。

目前，可以達到Tier III廢氣控制排放量限制要求，并具有消音降噪的技術有：

選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）技術、廢氣再循環EGR（Exhaust Gas Recirculation）技術及替代燃料，低壓噴射LNG發動機。

SCR技術由于使用范圍逐漸擴大，對柴油機性能改變比較少，獲得了造船界的普遍重視。

文章以某重吊船為例，對機艙SCR系統及設計要點進行說明。

2 主要尺度

此重吊多用途船主尺度：總長138m，型寬23.6m，型深12.8m，設計吃水7.5m，頂甲板高度12.8m。

3 SCR裝置組成與工作原理

3.1 氮氧化物（NOx）還原系統和檢驗控制系統組成

其主要設備有尿素艙、SCR尿素泵單元、SCR尿素控制計量單元、噴射空氣分配單元、尿素噴射單元、SCR氮氧化物還原設備、檢驗和分析設備，控制空氣瓶、日用空氣瓶、氣動閥等，如圖1所示。

主要的技術參數如表1所示。

3.2 工作原理及控制流程

如圖2所示，當主機啟動，信號①指令輸出至SCR控制中心，SCR控制中心收到信號②;當排氣管連接的溫度探頭傳感器檢測排氣管中的溫度達到大于等于220度時，反饋至SCR控制中心;然后SCR控制中心發出信號③啟動指令，尿素艙中的尿素溶液通過SCR尿素泵單元輸送（當壓力過高，SCR尿素泵單元中的尿素通過壓力控制單元安全閥釋放，進入尿素艙），送入SCR尿素控制計量單元，計量單元中的尿素量和排氣中的氮氧化物（NOx）反應的量相匹配;當SCR尿素控制計量單元收到SCR控制中心④啟動指令，SCR尿素控制計量單元按催化反應需要的量，注入到尿素噴射單元;通過噴射空氣分配單元把尿素和壓縮空氣混合，并噴進排氣管，與排氣管中的煙氣在SCR反應混合管中充分混合，把排氣中的氮氧化物（NOx）還原為氮氣（N2）和水。化學反應如下：

CO（NH2）2+H2O→NH3+CO2+H2O

尿素在排氣管中分解為氨氣、水、二氧化碳。

4NH3+2NO2+O2→3N2↑+6H2O 4NH3+4NO+O2→4N2↑+6H2O

氨氣在高溫大于300度的環境下，其與一氧化氮和二氧化氮通過催化劑的催化，變為氮氣和水。

通過SCR反應器的排氣取樣，對排氣中的NOx氮氧化物進行檢測。如果達到排放控制區標準，按既定量噴射尿素;如果超標，適當加大尿素的噴射量。

4 排氣SCR系統設計與安裝

SCR系統中，排氣管系的管子、閥和附件所用的材料，應滿足排氣管最高需用工作壓力并耐高溫和腐蝕。

介質和管路承擔的用途相匹配。對用于腐蝕性比較強的排氣管子材料，應根據實際情況進行設計考慮。

與還原劑尿素或氨氣（或還原劑尿素、氨氣與排氣混合物）接觸的排氣管路、閥件、附件以及SCR反應裝置，應選用合適的防腐材料制造[3]。

一般情況下，船上各個柴油機的排氣管應相互獨立，柴油機出口排氣管連接SCR反應裝置和消音設備后直接排大氣。如設計者充分考慮了潛在風險并得到船東認可，并滿足下述情況，經對應船級社特殊考慮，允許多個柴油機的排氣管連接至同一SCR反應裝置進行廢氣處理：

采取有效隔離裝置或閥件，防止廢氣倒流至停止工作或正在工作的柴油機;

應采取有效措施，防止隔離裝置處于關閉狀態時啟動被隔離的發動機;

隔離裝置應工作可靠，任何情況下發生故障，應保證柴油機能安全運行;

各連接柴油機均能滿足適用的法定要求。

各種運行工況下，排氣背壓始終不超過每個所連接柴油機制造廠規定的背壓限制。如設置引風機來保持背壓，對SCR反應裝置連續運行重要的泵（如還原劑泵）、風機，應冗余配置。當其中任一泵、風機停止工作時，其他泵、風機的排量仍能確保SCR反應裝置在最大負荷條件下運行[1]。

4.1 安裝要求

為了保證尿素溶液在進入SCR反應器前充分分解成氨氣，為了保證溫度，提高氨氣和一氧化氮和二氧化氮的轉化率，SCR反應器需靠近柴油機安裝。

SCR系統的設計和布置方式為了保證SCR系統在設備失效、損壞、堵塞等非正常情況下或正常停止工作時，發動機仍能正常運轉，如設置旁通或其他等效措施。

組成SCR系統的尿素艙、SCR尿素泵單元、SCR尿素控制計量單元、噴射空氣分配單元、尿素噴射單元、SCR氮氧還原裝置、控制中心和分析儀，控制空氣瓶，日用空氣瓶，氣動閥等遵循規范中規定的環境條件/工作環境進行設計、選型、布置。符合船舶運行傾斜角度，以保證SCR裝置能正常運轉。考慮到不同的船舶類型、尺寸和營運路線情況，可采用較小的傾斜角。

在有可能積聚可燃、有毒有害氣體、蒸汽的地方，布置抽風管，以保證布置主機，發電機，鍋爐等在天氣惡劣的情況下，可以正常的功率運行，并保證人員到達的處所安全。

在SCR相關設備周圍適當設置防護措施，當機械設備運轉時，可能對船員構成危險的地方，應設置防護罩防噴濺或欄桿等設施。為避免SCR相關設備和系統在操作及轉換中出現錯誤，應在顯要位置布置操作銘牌和警示銘牌[1]。

除了冷卻淡水和滑油等系統外，SCR相關設備和管路表面超過60度，都應按制造廠標準包扎絕熱材料、玻璃纖維布或鍍鋅鋼板等，對有可能引發火險的地方包扎放噴濺膠帶。防止對SCR相關設備操作和維護時，對船員造成傷害[4]。

SCR系統的安裝、布置應便于操作和維護。

4.2 NOx氮氧化物檢測

NOx氮氧化物檢測口，在排氣管上開支管20#鋼管42x3.5 GB/T8163-2008，如圖3所示。

支管上連接①NOx檢測法蘭，檢測時拆卸②盲板法蘭，檢測后用②盲板法蘭封住[4]。

4.3 應用實例與效果評析

主機和發電機排氣系統安裝SCR裝置前后檢測數據對比，如表2所示。

5 結語

SCR技術理論與實踐較為成熟，已得到各柴油機制造商和船東認可，在排放控制區（ECA）內航線的船舶，若安裝SCR裝置，船舶所產生的廢氣將滿足Tier III3的排放要求。

參考文獻

[1] GUIDANCE NOTES GD20-2016，選擇性催化還原（SCR）系統船上應用指南[S].中國：中國船級社，2016.

[2] 中國船級社.鋼質海船入級規范[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 中國船舶工業集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會編著.船舶設計實用手冊 輪機分冊[M].第3版.北京：國防工業出版社，2013.

[4] 南京金陵船廠有限公司技術中心設計標準.管系標準手冊[R].南京：南京金陵船廠，2018.